IMS网络P-CSCF容灾方案研究

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文：易大文（中国电子科技集团公司第七研究所），何春霞（中国联合网络通信有限公司广州市分公司）

摘要：P-CSCF作为IMS网络接入控制设备，其能否安全可靠运行将影响IMS业务的稳定性。通过分析目前P-CSCF容灾方案问题，提出了一种P-CSCF可靠容灾方案，实现了容灾业务的实时接管，提升了IMS网络部署的可靠性。

1  引言
运营商正在加紧部署IMS网络，它将成为未来核心网的新核心，其安全问题必将关系到整个网络、业务的安全。P-CSCF是用户接入IMS网络的初始入口点，将拜访地接入网络的SIP事务转接到其归属地的S-CSCF。为了防止SIP用户终端对IMS网络的核心设备进行攻击，将用户接入网络和核心网络进行隔离，以使核心设备安全可靠运行，所以需要引入边缘接入控制设备（BAC）。SIP用户被定义为非信任域终端，所以需要通过BAC设备接入IMS网络，从而确保IMS网络稳定地提供业务。
目前P-CSCF容灾方案存在业务恢复时间过长、容灾接管不可靠等方面的问题，影响了IMS网络规模部署。因此，为了提高SIP用户的业务稳定性，很有必要研究一种可靠的P-CSCF容灾方案。

2 P-CSCF容灾问题分析
目前P-CSCF采用1+1互助方案，即两台P-CSCF设备采用负荷分担方式，分别作为用户主归属和从归属的设备；当一个P-CSCF设备瘫痪时，该P-CSCF设备下的SIP用户切换到备用的P-CSCF，备用P-CSCF接管切换过来的SIP用户的业务。如图1所示，其中实线表示主归属，虚线表示从归属。当主用的P-CSCF1瘫痪后，要求UE1用户切换到备用的P-CSCF2。目前SIP用户一般通过BAC设备接入P-CSCF设备，P-CSCF设备容灾的方式包括冷备份和热备份。

2.1 不同步容灾方案
不同步方案是指两台P-CSCF之间不同步容灾用户的相关信息，在当前服务的P-CSCF瘫痪时，用户将向备用的P-CSCF设备重新发起注册，备用P-CSCF才能实现容灾用户业务的接管。此方案存在如下问题：
（1）未发起重注册用户的主叫业务无法接管
当用户注册的P-CSCF故障时，用户发起的呼叫送至备用P-CSCF设备，但由于此时备用P-CSCF没有用户当前服务的S-CSCF的地址，备用P-CSCF就无法完成主叫业务接管。需要等待用户重新注册后，备用P-CSCF才能完成容灾业务的接管，而较短的重注册周期将会严重影响IMS设备的性能，目前周期注册的时间配置推荐为30分钟。因此，在30分钟内用户未发起重注册时，备用户P-CSCF无法接管处理容灾用户的主叫业务。
（2）未发起重注册用户的被叫业务无法接管
当用户注册的P-CSCF故障时，在用户发起重注册之前，被叫S-CSCF将呼叫转发至备用P-CSCF，但备用P-CSCF没有当前被叫用户注册所在BAC地址，就无法完成容灾用户的被叫业务接管处理。因此，在30分钟内未发起重注册时，备用P-CSCF无法接管处理容灾用户的被叫业务。
2.2 实时同步容灾方案
实时同步方案是指主备P-CSCF设备之间进行容灾信息的同步，两台P-CSCF设备都存储用户所在的S-CSCF和BAC设备地址信息。当主用P-CSCF瘫痪时，备用P-CSCF设备根据存储容灾地址信息实时接管容灾用户的被叫业务。此方案虽然可以满足实时接管业务的需求，但存在如下问题：
（1）大量额外消耗设备资源
由于用户周期更新的注册频率很高，用户注册信息在两台P-CSCF之间进行动态同步将会大量消耗P-CSCF资源，影响P-CSCF设备的业务处理能力，大约降低有效用户容量的10%。
（2）降低容灾接管的有效性
主备P-CSCF之间实时同步大量的用户注册的地址信息，其所同步的数据难以确保有效性，而容灾数据的不可靠将可能导致备份P-CSCF无法接管容灾业务。固网软交换设备采用实时同步容灾方式，曾发生过多次容灾数据不一致而导致无法容灾接管的事故。
因此，从可靠容灾角度进行考虑，目前P-CSCF主要采用不同步容灾方案，要求用户重注册后才能恢复业务处理。
（3）可靠容灾方案实现思路
为了解决目前P-CSCF容灾方案存在的问题，确保SIP用户安全可靠接入，本文研究一种安全可靠的P-CSCF容灾方案，实现有效地实时接管容灾业务的能力。在SIP用户进行正常注册时，P-CSCF将接管容灾用户所需信息备份在S-CSCF设备上，并通过呼叫信令流程优化实现容灾接管。当用户注册的P-CSCF设备出现故障时，对于主叫业务，备用P-CSCF将呼叫通过I-CSCF设行转发，通过查询HSS获取呼叫用户当前服务的S-CSCF；而对于被叫业务，S-CSCF直接将用户所在的BAC地址送至备用P-CSCF，备用P-CSCF根据BAC的地址信息将呼叫送至用户注册的BAC，从而实时恢复被叫业务。

3  可靠容灾方案具体实现
3.1 容灾数据备份
P-CSCF容灾数据备份通过用户正常的注册流程实现，在用户成功注册时，S-CSCF将保存用户注册的BAC地址，为容灾业务接管做好准备，不再需要P-CSCF设备之间实时同步容灾数据，其备份流程如图2所示：

（1）BAC收到用户的注册消息Register；
（2）BAC根据用户当前注册主用的P-CSCF为P-CSCF2，将注册消息Register转发给P-CSCF2；
（3）P-CSCF2将注册消息Register转发给I-CSCF；
（4）I-CSCF启用UAR消息查询HSS，其中UserAuthorization-Type取值为REGISTRATION(0)；
（5）HSS返回用户当前服务的S-CSCF给I-CSCF；
（6）I-CSCF将用户的注册消息发送到当前服务的S-CSCF，S-CSCF保存P-CSCF容灾所需要的信息，从Contact头域获取用户所在BAC的地址信息；
（7）S-CSCF向用户归属的HSS进行鉴权请求；
（8）HSS返回鉴权相关数据。
3.2 主叫业务实时接管
当已注册到故障的P-CSCF1的用户在周期注册更新之前发起呼叫，BAC设备检测到P-CSCF1故障，将收到的初始请求发给备用P-CSCF2，P-CSCF2无用户注册数据，则将呼叫转发到主叫用户归属网络，以完成后续业务处理，信令流程如图3所示：

（1）已注册在P-CSCF1的用户向BAC发起呼叫；
（2）BAC检测到主用P-CSCF1故障，将收到的初始请求发给备用P-CSCF2；
（3）P-CSCF2通过BAC向用户回送100 trying消息；
（4）P-CSCF2发现没有用户注册数据，根据主叫用户的域名查询DNS，将呼叫请求发往主叫用户归属的I-CSCF，在INVITE消息中提取PPI或者FROM域的主叫号码构造PAI，并在INVITE消息的route中增加标识主叫流程的orig；
（5）I-CSCF根据orig参数提取PAI消息头的主叫号码向HSS发送普通的LIR请求，以获取主叫用户当前服务的S-CSCF；
（6）HSS返回用户当前服务的S-CSCF给I-CSCF；
（7）I-CSCF使用HSS返回的主叫用户当前服务的S-CSCF路由，并将INVITE消息转发给主叫用户归属的S-CSCF；
（8）S-CSCF收到呼叫请求后，根据orig触发主叫侧业务。
3.3 被叫业务实时接管
被叫S-CSCF收到初始请求后，S-CSCF检测到被叫侧P-CSCF1故障失效，将呼叫分发到备用P-CSCF2设备上。容灾接管的被叫流程如图4所示：

（1）S-CSCF收到被叫呼叫请求，S-CSCF检测到优先级最高的P-CSCF1故障失效后，S-CSCF在优先级低的P-CSCF中选择一个，假设为P-CSCF2；
（2）S-CSCF根据之前保存的容灾信息，将被叫请求封装为BAC的IP地址，将呼叫消息发送给P-CSCF2，P-CSCF2放通呼叫，并根据被叫请求将呼叫路由到用户注册的BAC；
（3）用户注册所在的BAC根据用户实际注册地址将呼叫请求转发给用户。

4  可靠容灾方案的应用需求
P-CSCF可靠容灾方案基本不影响核心设备性能，相应软件改动较小，具有较强的可操作性，需对如下设备增加相应功能。

4.1 P-CSCF设备需求
（1）对于用户的重注册，接管的P-CSCF将相关消息转发到用户归属的I-CSCF；
（2）对于用户发起始呼，接管的P-CSCF通过提取PPI消息头在INVITE消息构造PAI消息头，并将相关消息转发到主叫用户归属的I-CSCF；
（3）对于用户的终呼，接管的P-CSCF将呼叫路由到被叫用户注册所在的BAC设备。
4.2 S-CSCF设备需求
（1）对于用户终呼，S-CSCF将Request URI封装为用户注册的BAC的IP地址，将呼叫消息发送给可用的P-CSCF；
（2）S-CSCF在用户重新注册成功后才更新用户所注册的P-CSCF；
（3）当S-CSCF保存的用户注册的P-CSCF与收到注册消息P-CSCF地址不同时，S-CSCF不中断用户当前的呼叫。
4.3 I-CSCF设备需求
（1）对于用户始发呼叫，I-CSCF根据orig参数提取PAI消息头的主叫号码向HSS发送普通的LIR请求，以获取主叫用户当前服务的S-CSCF；
（2）I-CSCF使用HSS返回的主叫用户当前服务的S-CSCF进行路由，并将相关消息转发给主叫用户归属的S-CSCF。
4.4 BAC设备需求
（1）BAC根据PPI消息头的用户身份进行检查，拦截未在BAC注册的用户发起的呼叫；
（2）BAC放通从非用户注册的备用的P-CSCF过来的呼叫，可通过信任列表进行配置放通P-CSCF。

5  结束语
P-CSCF可靠容灾方案将用户容灾信息备份在S-CSCF设备上，并优化容灾业务的呼叫信令流程，实现了实时接管容灾用户业务的功能，不再需要设备之间的容灾信息同步，减少了设备的额外开销并提升了设备的用户容量，较大地提高了容灾业务接管的安全性，确保IMS业务安全可靠运行。本方案即将在IMS网络上进行部署，其有效性有待现网应用进一步检验。

作者简介：易大文：助理工程师，学士，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，主要从事科研生产项目管理工作。

何春霞：工程师，学士，现任职于中国联合网络通信有限公司广州市分公司，主要研究方向为IMS网络、GSM、WCDMA网络的关键技术。